הטנדים האחרונים בפיתוח מפרקי חשמל בעלי מתח גבוה מבוססים על גז חלופי ל-SF₆
1. מבוא
SF₆ נמצא בשימוש נרחב במערכות העברת חשמל ופיזור, כגון ציוד מבודד בגז (GIS), מפסקים (CB) ומפסקים לזרם בינוני (MV). הוא בעל יכולות מבודדות ואיתוח קשת ייחודיות. עם זאת, SF₆ הוא גם גז חממה חזק, עם פוטנציאל לחימום גלובלי של כ-23,500 לאורך תקופה של 100 שנים, ולכן השימוש בו מוסדר ונושא בחשיבות דיסקוזיה מתמשכת לגבי הגבלות. כתוצאה מכך, מחקר על גזים חלופיים ליישומים חשמליים מתבצע כבר בערך שני עשורים.
ה"Club Zéro" (CZC), בשיתוף פעולה עם CIGRE, השיק לאחרונה אתiative כדי להעריך את מצב הידע הנוכחי של גזים חלופיים ל-SF₆ ליישומי מפסקים. נערך סקר כדי לאסוף את כל הספרות הזמינה והטרייה בנושא. התוצאות הוצגו והועלו לדון בהם בישיבה משותפת במהלך הסשן של CIGRE בשנת 2016. מאמר זה מציג את הממצאים העיקריים של הסקר. מכיוון שטכנולוגיה של מפסק ריק מהווה פעילות נפרדת מתמשכת, היא לא תידון בהערכה זו.
2. גזים חלופיים
לאחר קבלת פרוטוקול קיוטו ב-1997, המחקר על גזים חלופיים התגבר וגדל עוד יותר בעשור האחרון. הדרישות המפתח לגזים חלופיים זוהו כ: פוטנציאל לחימום גלובלי נמוך (GWP), פוטנציאל להשמדה של האוזון אפס, רעילות נמוכה, אי- Brennbarkeit, חוזק דילקטרי גבוה, יכולת איתוח קשת ופיזור חום גבוהה, יציבות כימית, תאימות חומרים הזמינים בשוק.
מבין הגזים הטבעיים שנבדקו, CO₂ הוכח כגז איתוח הקשת המבטיח ביותר, עם ביצועים שיכולים להיות משופרים על ידי תוספים כמו O₂ או CF₄. עם זאת, מחקרים הראו שהביצועים של ניתוק ומבודד של CO₂ נמוכים מהביצועים של SF₆. מועמדים מעניינים אחרים זוהו בין הגזים המפלואורנטים, כגון CF₃I, הידרופלואורולהאף (HFO-1234ze ו-HFO-1234yf), פרפלואורוקטונים (לדוגמה, C₅F₁₀O), פרפלואורוניטרילים (C₄F₇N), אטרות מפלואורנטים (HFE-245cb2), אפוקסידים מפלואורנטים והידroklorofluoroolefins (HCFO-1233zd).
בהתחשב בכל הדרישות, המועמדים המבטיחים ביותר הם C₅ פרפלואורוקטון (CF₃C(O)CF(CF₃)₂ או C₅-PFK) ו-iso-C₄ פרפלואורוניטריל ((CF₃)₂CF-CN או C₄-PFN). עבור גזים טהורים, הביצועים הדילקטריים הם פרופורציונליים לנקודת הרתיחה - כלומר, גזים בעלי חוזק דילקטרי גבוה בדרך כלל גם בעלי נקודת רתיחה גבוהה. בלחץ של 0.1 MPa, נקודות הרתיחה של C₅-PFK ו-C₄-PFN הן 26.5°C ו-–4.7°C בהתאמה. לכן, ליישומי ציוד מפסק הדורשים נקודות רתיחה נמוכות מספיק כדי לעמוד בדרישות תפעול בטמפרטורה נמוכה, יש להוסיף גזים מתקנים. בשל יכולת האיתוח שלו, CO₂ נבחר כגאז מתקן ביישומים בלחץ גבוה. ביישומים בלחץ בינוני דווח כי אוויר משמש כגאז מתקן בשילוב עם C₅-PFK למטרות מבודד.
3. תכונות של גזים טהורים ושילובים של גזים
טבלה 1 מציגה את התכונות של גזים חלופיים נבחרים ביחס ל-SF₆. הפוטנציאלים לחימום גלובלי של הגזים משתנים משמעותית: C₄-PFN מציג GWP הרבה יותר גבוה מאשר CO₂ או C₅-PFK, שניהם בעלי GWP של בערך 1. כל הגזים המועמדים המעניינים הם לא ברנבלים, בעלי פוטנציאל להשמדה של האוזון אפס ונמצאו כלא רעילים לפי דפי נתונים טכניים ואבטחה שסופקו על ידי יצרני כימיקלים. חוזק הדילקטרי של C₄-PFN טהור ו-C₅-PFK הוא כמעט פי שניים מ-SF₆. החוזק הדיאלקטרי של CO₂ הוא דומה לזה של אוויר - כלומר, נמוך באופן משמעותי משל SF₆.
טבלה 1: השוואת תכונות גזים טהורים עם SF₆
| Gas | CAS Number | Boiling Point / °C | GWP | ODP | Flammability | Toxicity LC50(4h) ppmv | Toxicity TWA ppmv | Dielectric Strength / pu at 0.1 MPa |
| SF₆ | 2551-62-4 | -64 | 23500 | 0 | No | - | 1000 | 1 |
| CO₂ | 124-38-9 | -78.5 | 1 | 0 | No | >300000 | 5000 | ≈0.3 |
| C5-PFK | 756-12-7 | 26.5 | <1 | 0 | No | ≈20000 | 225 | ≈2 |
| C4-PFN | 42532-60-5 | -4.7 | 2100 | 0 | No | 12000…15000 | 65 | ≈2 |
טבלה 2 מציגה את התכונות של גזים ותערובות גזים כאשר הם משמשים בציוד חילוף. המרחקות של C₄-PFN ו-C₅-PFK בתערובות עם גזי מילוי מוצגות בעמודה השנייה, בדרך כלל מתחת ל-13% (ריכוז מולרי). יש לציין כי עבור השימוש ב-C₅-PFK ב-CO₂, דווח גם על תוספות חמצן, מכיוון שהימצאותו של חמצן יכולה להפחית את היווצרותם של תוצרים לוואי מזיקים (כמו CO) והתוצרים הלא נוזליים (כמו פיח).
טבלה 2: תכונות/ביצועים של גזים טהורים ותערובות גזים ליישומים בציוד חילוף מתח בינוני וعال
| Gas | Concentration | Minimum Pressure / MPa | Minimum Temperature / °C | GWP | Dielectric Strength | Toxicity LC50 ppmv |
| SF₆ | - | 0.43…0.6 | -41…-31 | 23500 | 0.86…1 | - |
| CO₂ | - | 0.6…1 | ≤-48 | 1 |
0.4…0.7 | >3e5 |
| CO₂/C5-PFK/O₂ (HV) | ≈6/12 | 0.7 | -5…+5 | 1 | ≈0.86 | >2e5 |
| CO₂/C4-PFN(HV) | ≈4…6 | 0.67…0.88 | -25…-10 | 327…690 | 0.87…0.96 | >1e5 |
| Air/C5-PFK(MV) | ≈7…13 | 0.13 | -25…-15 | 0.6 | ≈0.85 | 1e5 |
בשל הנמוך יותר של מתח החסימה של התערובות בהשוואה ל-SF₆ בלחץ זהה (עמודה 6), יש להעלות את לחץ הפעולה המינימלי עבור C₅-PFK ו-C₄-PFN עם CO₂ כגז הבופר ביישומים במתח גבוה לכ-0.7–0.8 MPa. ביישומים במתח בינוני המשתמשים בתערובת אוויר/C₅-PFK, ניתן לשמור על לחץ של 0.13 MPa, והם משיגים מתח חסימה קרוב לזה של SF₆.
המתח הגבוה של החסימה שמושג עם יחס בלנדה נמוך יחסית של C₄-PFN או C₅-PFK ניתן להסביר באמצעות אפקט סינרגטי - כלומר, עוצמת הדיאלקטרי עולה בצורה לא ליניארית עם ריכוז החומר המוסף, תופעה שנצפתה בעבר בתערובות SF₆/N₂. פוטנציאל ההתחממות העולמי (GWP) של תערובות C₅-PFK זניח, אך זאת במחיר טמפרטורת פעולה מינימלית גבוהה יותר. יישומים בטמפרטורה נמוכה (לדוגמה, –25°C) יכולים להתבצע באמצעות CO₂ טהור או תערובת CO₂ + C₄-PFN, אך עם פשרות: מתח חסימה נמוך באופן משמעותי במקרה של CO₂ טהור, או GWP גבוה באופן משמעותי בשימוש בתערובות C₄-PFN.
4. ביצועי מעבר של גזים חלופיים
טבלה 3 מציגה מידע מקדים על ביצועי המעבר של CO₂ טהור ותערובות מבוססות CO₂, עם ביצועי SF₆ למטרה השוואתית. על ידי הגברת לחץ הפעולה ביחס ל-SF₆, ניתן להביא את עוצמת הדיאלקטרי הטהורה - המשמשת, למשל, כמדד לביצועי מעבר קיבוליים - לרמה של SF₆.
טבלה 3: השוואה של ביצועי המעבר של גזים ותערובות גזים בלחצים גבוהים יותר לעומת SF₆ ביישומים במתח גבוה
| גז | לחץ פעולה [MPa] | חוזק דיאלקטרי / pu | ביצועי SLF לעומת SF₆ / pu | |
| SF₆ | 0.6 |
1 | 1 |
1 |
| CO₂ | 0.8…1 | 0.5…0.7 | 0.5…0.83 | ≥0.5 |
| CO₂+C5-PFK/O₂ | 0.7…0.8 | קרוב ל-SF₆ | 0.8…0.87 | קרוב ל-SF₆ |
| CO₂/C4-PFN | 0.67…0.82 | קרוב ל-SF₆ | 0.83…(1) | קרוב ל-SF₆ |
במאמרים שנבדקו, ניתן היה למצוא רק הצהרות איכותיות לגבי ביצועי החלפת ה-C₄-PFN וה-C₅-PFK. עבור CO₂, זמינות השוואות כמותיות מסוימות. באופן כללי, עם CO₂ טהור בעומס מילוי מוגבר של כ-1 MPa, ניתן לצפות בביצועי מבודד וניתוק תקלה קווית קצרה (SLF) של בערך שני שלישים מאלו של SF₆.
בוספת O₂ ל-CO₂ (עם יחס ערבוב עד 30%), ניתן לצפות בשיפור בביצועי ניתוק SLF ובגבוה מעט ב חוזק דיאלקטרי. הוספת C₄-PFN או C₅-PFK ל-CO₂ מאפשרת ביצועי מבודד המתקרבים לאלו של SF₆. מחקרים מדווחים כי ביצועי החלפת ה-SLF של ערבובים של CO₂/O₂/C₅-PFK נמוכים בערך ב-20% מאלו של SF₆. לעומת זאת, נטען כי מפסקים מיוחדים המותאמים לערבובים של CO₂/C₄-PFN מצליחים להשיג ביצועי SLF המשווים לאלו של SF₆.
עם זאת, ישנם גם מחקרים שמשווים ישירות בין CO₂ טהור לערבובים של CO₂/C₄-PFN ו-CO₂/C₅-PFK בתנאי גאומטריה ולחץ זהים, המראים ביצועי ניתוק תרמיים דומים ל-CO₂ עם או ללא חומרים נוספים. עם שינויים קטנים בעיצוב או צמצום מתון, עברו הערבובים החדשים בהצלחה את מטלות הבדיקה של IEC L90 (SLF) ו-T100 (תקלה סופית של 100%), מה שמראה כי ביצועי ההחלפה שלהם אינם נחותים באופן משמעותי מאלו של SF₆. זה הוכח גם עבור פונקציית הניתוק של המפסק.
צפויים שיפורים נוספים בביצועי ההחלפה בעתיד באמצעות אופטימיזציות עיצוביות ייעודיות. סוגיה חשובה היא רעילות הגזים לאחר קשת חשמלית. C₅-PFK ו-C₄-PFN הם מולקולות מורכבות שמתחילות להתפרק מעל כ-650 °C במקרה של C₄-PFN. בהתפרקותם, המולקולות הללו לא מתאחדות מחדש למבנים המקוריים שלהם אלא יוצרות פרגמנטים קטנים יותר. דווח על שיעור התפרקות של 0.5 mol/MJ עבור ערבובים של CO₂/O₂/C₅-PFK במהלך ניתוק זרם גבוה. עבור פרדות חלקיות, שיעור ההתפרקות נמצא להיות נמוך ביותר פי עשר מהערך הנ"ל.
התנהגות ההתפרקות של הגזים החדשים אינה ניתנת להשוואה ישירה לזו של SF₆, שמתפרק בעיקר בשל תגובות כימיות עם חומרים מגעילים ומגפיים. עבור הגזים החדשים, התפרקות לאורך חיי הציוד אינה נחשבת לסוגיה קריטית, אך צריך לעקוב אחר הריכוז של הגז בתוך הציוד או לבדוק אותו באופן מחזורי. המוצרים המפורקים הרעילים ביותר בישומים בלחץ גבוה (כלומר, ערבובים עם CO₂) הם CO ו-HF. מוצרים משניים של הקשת של הערבובים הללו נחשבים לרעילים בצורה דומה או נמוכה יותר מאלה של SF₆ מפורק. לכן, מומלץ להשתמש בإجرונות דומים לאלה המשמשים עבור SF₆ שהופעל בו קשת חשמלית.
עם זאת, חשוב לציין כי ההצהרות הנ"ל מבוססות על ידע מוגבל לגבי רעילות הגזים החדשים. נדרש ניסיון נוסף לגבי רעילות הפוסט-קשת של אלטרנטיבות אפשריות ל-SF₆. דאגות נוספות שדווחו כוללות תאימות חומרים (למשל, השפעה על חותכים ושומנים), שלמות חותך הגזים ואגרונומיות טיפול בגזים. לכן, לא ניתן לצפות שתipment מתח גבוה קיים יעבוד בטיחותית עם הגזים החדשים מבלי לבצע שינויים מתאימים בעיצוב או בחומרים.
בדיקות קשת פנימית בוצעו עם כל הערבובים, ולא דווחו בעיות חמורות. thermal conductivity of the mixtures is slightly inferior to that of SF₆, which may necessitate moderate derating or design adjustments for current-carrying capacity. CO₂ live-tank circuit breakers have already gained field experience, with deployments beginning several years ago, and CO₂-filled breakers are now commercially available.
התקנות ניסיוניות במתח גבוה ובמתח בינוני המשתמשות בערבובים של C₅-PFK פועלות בהצלחה בשווייץ וגרמניה מאז 2015. פרויקטים ניסיוניים משתמשים בערבובים של CO₂/C₄-PFN מתוכננים או במרכב במספר מדינות אירופיות, כולל GIS פנימי ב-145 kV בשווייץ, מبدل זרם חיצוני ב-245 kV בגרמניה, ומערכות GIL חיצוניות ב-420 kV בבריטניה וסקוטלנד.
מסקנות וopsis
הצגנו סקירה של מידע פומבי על גזים חליפיים ל-SF₆ לשימוש בהחלפות. בשלב הנוכחי, המחקר עדיין נמצא בשלבים ראשונים ורחוק מהרחבת עשרות שנים של עבודה על SF₆. הנתונים הזמינים של יצרנים מצביעים על כך שהגזים החדשים כגון C₅-PFK ו-C₄-PFN הם אפשרויות ברות-קיימא שכאשר מעורבלים עם CO₂ כגז מפנק, יכולים להתאים חלקית לביצועי SF₆, אם כי הם אולי לא יצטיינו בכל יכולותיו של SF₆.
ההבדלים העיקריים נמצאים בביצועי מבודד וניתוק, כמו גם בנקודת רתיחה - אשר קובעת את הטמפרטורה המינימלית המוגדרת של המפסק. טמפרטורה מינימלית נמוכה (לדוגמה, –50 °C) יכולה להושג עם CO₂ טהור. עם זאת, נראה כי CO₂ מציג באופן כללי ביצועי ניתוק נמוכים יותר, במיוחד במונחים של יכולת נשיאת מתח השחזור והיכולת לניתוק, בהשוואה לערבובים של גזים המכילים C₄-PFN או C₅-PFK.
יתרון של ערבובים של CO₂/C₅-PFK על פני ערבובים של CO₂/C₄-PFN הוא החשיפה הנמוכה שלהם ל-GWP (~1 לעומת 427/600 עבור C₄-PFN). לעומת זאת, ערבובים של CO₂/C₄-PFN מציעים טמפרטורה מינימלית נמוכה יותר (בערך –25 °C) בהשוואה לערבובים של CO₂/C₅-PFK (בערך –5 °C).
6. 40.5kV 72.5kV 145kV 170kV 245kV Dead tank Vacuum Circuit-Breaker
תיאור:
המפסקים הוואקום של 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV ו-245kV הם מכשירי הגנה חיוניים למערכות מתח גבוה. תוך שימוש בוואקום כאמצעי כיבוי קשת ומבודד, הם מפגינים יכולות כיבוי קשת יוצאות דופן, מפסיקים במהירות זרמים של תקלות ומונעים יעיל את הדלקת מחדש של הקשת כדי להבטיח פעילות יציבה של מערכת החשמל. העיצוב של המאגר המת הוא קומפקטי ומספק יציבות מכנית חזקה, המאפשרת התקנה ונוחות תחזוקה. המפסקים מותקנים עם מנגנונים מפעילים קפיציים בעלי אמינות גבוהה, וחיים מכניים העולים על 10,000 פעולות, המספקים תשובות מהירות ומדוייקות. עם יכולת הסתגלות סביבתית יוצאת דופן, הם יכולים לפעול בצורה יציבה בתנאים חיצוניים קשים. הם נמצאים בשימוש רחב בתחנות מפצלות, קווי העברה ועוד, ומספקים שליטה בהחלפת חשמל יעילה ובטוחה והגנה אמינה במגוון רמות מתח.
הצגת הפונקציות העיקריות:
כיבוי קשת יעיל: משתמש בוואקום עבור כיבוי מהיר ומוצק של הקשת, למנוע את הדלקת מחדש שלה.
טווח מתח רחב: זמין במתחים של 40.5kV, 72.5kV, 145kV, 170kV ו-245kV עבור יישומים מגוונים ברשת החשמל.
עיצוב נתק מת המתוחזק: מבנה קומפקטי שמבטיח יציבות מכנית ומסדר את התקנת הנתק והתחזוקה שלו.
פעולת פעולה אמינה: מנגנון פעולה המבוסס על קפיצים עם מעל ל-10,000 מחזורים מכניים של עמידות.
הטמעת סגירת דלת משופרת: עיצוב פלנקה דו-מגן מספק הגנה מימית וחושך גז, אידיאלי לשימוש בחוץ.
